王 勇，孫冬野，漆正剛

(1.重慶大學，機械傳動國家重點實驗室,重慶 400044； 2. 重慶電子工程職業(yè)學院汽車工程學院,重慶 401331；3. 重慶長安偉世通發(fā)動機控制系統有限公司,重慶 401122)

2016183

基于排放目標的汽油車閉環(huán)燃油控制優(yōu)化*

王 勇1,2，孫冬野1，漆正剛3

(1.重慶大學，機械傳動國家重點實驗室,重慶 400044； 2. 重慶電子工程職業(yè)學院汽車工程學院,重慶 401331；3. 重慶長安偉世通發(fā)動機控制系統有限公司,重慶 401122)

針對傳統汽油發(fā)動機閉環(huán)燃油控制存在氧傳感器老化后響應延遲導致的排放性能惡化和實際空燃比控制偏稀致使污染物綜合轉化率不高的問題，一方面引入氧傳感器響應延遲自適應控制算法，以減輕甚至消除前氧傳感器老化后對閉環(huán)燃油控制的不利影響，延長氧傳感器使用壽命；另一方面引入空燃比控制算法，并結合前、后氧傳感器信號聯合控制偏置量，將實際空燃比調整至理論空燃比甚至少許偏濃的狀態(tài)，從而有效提高排放污染物綜合轉化率。實車驗證試驗結果表明，氧傳感器響應延遲自適應控制算法能有效減輕因前氧傳感器老化而產生排放性能的惡化，空燃比控制算法能將污染物綜合轉化率提高20%以上。

閉環(huán)燃油控制；氧傳感器；自適應控制；排放性能；空燃比

前言

現代汽油發(fā)動機燃油噴射電控系統中的進氣道燃油噴射控制有開環(huán)和閉環(huán)兩種模式[1-3]。開環(huán)模式主要應用在起動與后起動、加速加濃、減速斷油、擋位切換和排氣系統過熱保護等工況；閉環(huán)模式則應用于其他運行工況，如怠速、小負荷、中等負荷和中大負荷行駛工況，占據了發(fā)動機全工況運行的絕對主導地位。閉環(huán)控制模塊根據氧傳感器信號精準控制混合氣空燃比使之維持在理論值附近，是實現整機目標排放性能和油耗性能的關鍵[4-7]。

階躍型氧傳感器價格低廉，廣泛應用于非缸內直噴發(fā)動機車型。學界對于使用階躍型氧傳感器作為閉環(huán)控制反饋信號的控制算法研究中，主要致力于對混合氣空燃比進行更為精準的控制。文獻[8]中提出氧傳感器參考電平自適應空燃比控制方法，以避免目標空燃比發(fā)生“漂移”。文獻[9]中則創(chuàng)新性地利用混合氣燃燒產生的離子信號對理論空燃比附近達到峰值的特性進行空燃比控制。然而，過于精準地將混合氣空燃比控制在理論值對于特定污染物排放控制并非最優(yōu)方案，這是因為HC，CO和NOx屬于對廢氣濃稀狀態(tài)具有不同敏感性的兩類化合物，三元催化轉換器的最大轉化效率點分別處在比理論空燃比偏稀和偏濃的位置[2,10]。因此，閉環(huán)控制算法不僅要將混合氣空燃比統計平均值維持在理論值附近，而且要使其在理論值附近合理震蕩，以充分利用三元催化器對于污染物的轉化能力，最終達到降低污染物排放量的目標。本文中基于搭載偉世通發(fā)動機控制系統平臺的某自主品牌轎車，對傳統的燃油空燃比閉環(huán)控制算法進行優(yōu)化，提出氧傳感器響應延遲自適應算法和空燃比跳躍偏置保持算法，使混合氣空燃比以理論值為中心實現可控的交替微量震蕩，以維持較高的催化轉化效率。通過國五I型排放試驗驗證表明，新算法能延長氧傳感器使用壽命，實現可觀的污染物減排量，對于應對未來頒布的更為嚴苛的國六法規(guī)是一種有益探索。

1 傳統空燃比閉環(huán)控制

傳統的空燃比閉環(huán)控制是根據前氧傳感器信號電壓Uus的濃稀狀態(tài)，適時調整閉環(huán)調節(jié)因子β的變化方向與幅度，以達到維持混合氣空燃比緊密圍繞理論值(實測廢氣濃度λ為當量濃度)波動的目的。閉環(huán)調節(jié)因子與過量空氣系數正相關，其控制過程分為：a燃油加濃緩變；b加濃向減稀躍變；c燃油減稀緩變；d減稀向加濃躍變，如圖1所示。

圖1 閉環(huán)燃油控制基本原理

閉環(huán)調節(jié)因子緩變過程緩變率Δβ按式(1)計算；閉環(huán)調節(jié)因子實時值是在上一計算調用周期值的基礎上疊加緩變率而得，按式(2)計算；躍變過程躍變量Δβjump按式(3)計算；躍變后閉環(huán)調節(jié)因子值為緩變結束時刻調節(jié)因子值βend與躍變量之和，按式(4)計算，并作為下一緩變過程的初始值βinit。

(1)

β(t)=β(t-Δt)+Δβ

(2)

Δβjump=S×ρrev×Aptp

(3)

βinit=βend+Δβjump

(4)

式中：ρrev為躍變系數；Aptp為閉環(huán)調節(jié)因子目標振幅；S為由氧傳感器電壓指示燃油濃(+1)稀(-1)狀態(tài)；Rmult為修正系數；Δt為計算調用周期；Tsec為系統傳遞延遲時間，如式(5)所示。Tsec由3部分組成：氧傳感器對廢氣濃稀狀態(tài)的響應延遲T1，系統經過計算過程識別到廢氣狀態(tài)變化從而驅動執(zhí)行器動作的時間延遲T2，和噴油器噴射燃油導致的混合氣濃度變化、燃燒過程到排氣系統氧傳感器測量處廢氣濃度產生變化之間的時間延遲T3。

Tsec=T1+T2+T3

(5)

圖2 系統固定延遲時間

對于特定的發(fā)動機機型，在特定工況條件下T2和T3基本維持不變，二者之和稱為系統固定延遲時間，是轉速和負荷的函數，如圖2所示。對于狀態(tài)良好的前氧傳感器，由于其優(yōu)異的響應性能，T1值非常小，在當前實際運用過程中將其視為固定值累加進系統固定延遲時間。然而，前氧傳感器長時間暴露在高溫高熱環(huán)境中，容易產生典型的響應延遲故障，導致T1值呈現逐漸增大的過程，而系統卻無法根據T1的變化對閉環(huán)燃油控制過程進行主動干預，以消除閉環(huán)燃油控制誤差導致的排放性能惡化，直到診斷策略判斷到前氧傳感器老化程度會導致排放超過法規(guī)規(guī)定的OBD極限值時報告故障[2]。因此，有必要在閉環(huán)燃油控制中考慮氧傳感器的劣化過程。

傳統閉環(huán)控制方式試圖將空燃比控制在理論值，但根據三元催化器對于廢氣的轉化效率特性(如圖3所示)，由于載體和貴金屬的差異，不同的催化器對廢氣的轉化效率特性略有差別，HC和CO在混合氣偏稀的狀態(tài)下才能實現最優(yōu)的轉化效率，而NOx則在混合氣偏濃的狀態(tài)下達到最優(yōu)轉化效率，兩類化合物無法同時達到最優(yōu)轉化效率，實際控制過程必須進行折中處理，理論空燃比則是最佳的綜合效率工作點。經試驗發(fā)現，當前控制策略控制的實際空燃比無法圍繞在理論空燃比兩側對等均勻震蕩，而是處于偏稀方向，因此閉環(huán)控制在提高污染物轉化效率方面仍然具有提升空間。

圖3 催化器中廢氣轉化效率特性

2 氧傳感器響應延遲的自適應控制

隨著前氧傳感器的逐漸劣化，其響應延遲時間T1將逐漸變大，如果系統不計實際響應延遲時間的變化，仍然按照氧傳感器初始狀態(tài)下的閉環(huán)調節(jié)因子β緩變率進行控制，將會導致閉環(huán)調節(jié)因子的實際振幅大幅度偏離目標振幅值，從而導致實際控制的空燃比過度震蕩，致使排放性能惡化。圖4為傳統閉環(huán)燃油控制偏濃偏差波形，由圖可見，氧傳感器在從稀到濃跳變過程中產生了響應延遲，傳統閉環(huán)控制將會使混合氣偏濃，催生大量的HC和CO；如果氧傳感器產生了從濃到稀的響應延遲，則會使混合氣偏稀，產生較多的NOx，控制波形的偏差與圖示相反。

圖4 傳統閉環(huán)燃油控制偏濃偏差波形

為使氧傳感器劣化后的閉環(huán)燃油控制效果與未產生劣化狀態(tài)下精細調校的控制效果基本保持不變，就必須保證閉環(huán)調節(jié)因子的振幅保持不變，這就要求β的緩變率應隨著T1的增大而逐漸減小，如圖5所示。為此，本文中通過設計自適應控制算法求取T1值，從而控制緩變率使之與氧傳感器的響應延遲狀態(tài)相適應。自適應算法的基本原理是通過持續(xù)性監(jiān)測閉環(huán)調節(jié)因子的實際振幅Aactual與目標振幅Aptp的差值，將偏差值乘以適當的增益系數Ggain，以積分的形式逐漸累加作為動態(tài)的氧傳感器響應延遲時間，如式(6)所示。當閉環(huán)調節(jié)因子實際振幅值與目標值接近時，表明T1值的學習過程達到成熟，起到了減輕甚至消除閉環(huán)控制偏差的作用。

圖5 氧傳感器響應延遲自適應控制原理

T1(t)=Ggain×(Aactual-Aptp)+T1(t-Δt)

(6)

氧傳感器響應延遲的自適應控制算法適用于中小程度的劣化，它能夠推遲由于氧傳感器老化造成的排放惡化到達國家法規(guī)規(guī)定的OBD極限值的時間，從而有效延長氧傳感器的使用壽命。然而，對于過度劣化的氧傳感器，自適應算法有其局限性，因為過大的T1值會造成閉環(huán)調節(jié)因子緩變率變得非常小，同時閉環(huán)控制周期變得非常大，致使閉環(huán)控制本身失去了意義。在實際使用過程中，需要對計算得出的T1值范圍進行限制。

3 空燃比跳躍偏置保持控制

為實現燃燒廢氣中的污染物在三元催化器中最大程度轉化為無害物質，需要最優(yōu)的空燃比震蕩，以使HC，CO和NOx具有較好的綜合轉化效率，而理論空燃比處是較好的折中點，因此應該盡力將空燃比統計平均值維持在理論空燃比。然而，傳統的空燃比閉環(huán)控制方法應用在多款整車上均一致表現出NOx比HC及CO更大程度接近I型試驗排放限值，表明NOx并未被較好地轉化，空燃比實際控制值的統計平均值呈現偏稀狀態(tài)。造成控制偏稀的根本原因在于廢氣中各分子擴散能力的差異，濃混合氣產生的廢氣中HC分子的擴散能力優(yōu)于氧分子，因此HC比氧更早抵達前氧傳感器處，即前氧傳感器測量出的廢氣濃度比實際濃度更濃，前氧傳感器由稀轉濃的狀態(tài)切換提早發(fā)生，導致在燃油加濃緩變過程中空燃比并未被控制到理想的燃油濃度[11-12]。

從增加三元催化器還原劑配方量角度著手進行試驗研究的結果表明，NOx的排放量雖然有一定程度的減小，但是以大量增加貴金屬還原劑的代價實現的減排，對于成本控制極為不利。因此，需要從改進閉環(huán)控制算法本身著手，將實際空燃比控制值的統計平均值控制到理論比甚至少許偏濃的狀態(tài)，才能有效解決NOx轉化不足的問題。

3.1 閉環(huán)調節(jié)因子調節(jié)波形的改進算法

傳統閉環(huán)控制算法控制偏稀問題的根本原因在于前氧傳感器由稀轉濃的狀態(tài)切換提前，導致燃油加濃緩變過程提早結束，使系統還未將混合氣控制到目標濃度，就轉向控制混合氣向偏稀方向行進，最終表現出空燃比比統計平均值偏稀?；谏鲜鲈?，本文中提出閉環(huán)調節(jié)因子在加濃緩變結束后的跳躍偏置保持控制算法，即在前氧傳感器的燃油濃稀狀態(tài)由稀轉濃切換時，加濃緩變過程結束，但并不立即將閉環(huán)調節(jié)因子進行躍變回調，而是將其向更濃的方向跳躍，從而產生燃油偏置幅度Abias并保持一定的時間Thold以后再將其向偏稀方向躍變回調，如圖6所示。

圖6 閉環(huán)燃油調節(jié)因子改進波形

3.2 燃油偏置幅度前后氧傳感器的聯合控制

典型的排氣系統在三元催化器前后端各安裝一個氧傳感器，前氧傳感器電壓信號作為閉環(huán)控制最直接最迅速的參考量，而后氧傳感器的電壓信號則可反映廢氣經過催化器處理后的狀態(tài)，是催化轉化效率的間接指示，因此燃油偏置幅度Abias的設計也受到兩個因素影響：一個因素是關于前氧傳感器的迅速直接調整閉環(huán)燃油偏置量的前饋偏置控制量Abase；另一個是利用后氧傳感器電壓偏差進行控制的反饋修正量Atrim，對前饋偏置控制量進行實時修正。

前饋偏置控制量Abase是轉速和負荷的函數，對于較高的NOx排放問題提供了全新的控制維度。在每一個穩(wěn)態(tài)工況點調整Abase值，并由排放測量設備秒采值確定最優(yōu)的HC，CO和NOx折中轉化效率，記錄此時的Abase值和后氧傳感器電壓值，形成前饋偏置控制量和后氧傳感器目標電壓的三維圖，如圖7和圖8所示。修正反饋量的應用是為了在動態(tài)工況下彌補前饋控制量對于控制效果的偏差，以實時的后氧傳感器實測電壓Uds與目標電壓Udes的偏差值為基礎通過式(7)所示的PI控制器進行實時修正，以使混合氣快速調整到催化器綜合轉化效率較高的工作點。

圖7 前饋偏置控制量

圖8 后氧傳感器目標電壓

Atrim=Kp×(Uds-Udes)+Ki×∫(Uds-Udes)dt

(7)式中:Kp為比例項系數；Ki為積分項系數。

燃油偏置幅度Abias根據偏置保持時間Thold、系統響應延遲時間Tsec、前饋偏置控制量Abase和反饋偏置修正量Atrim等按式(8)～式(11)進行綜合計算。式中Agross，A1和A2均為中間過渡變量。

Agross=Abase+Atrim

(8)

A1=|Agross|×2×Tsec

(9)

(10)

(11)

3.3 燃油偏置保持時間設計

燃油偏置保持時間設計是為了將閉環(huán)調節(jié)因子在燃油偏置方向維持合理的時間長度，使實際空燃比控制值達到理想的加濃程度，從而有效抑制NOx的產生，同時又不至于使CO和HC大量產生。然而，燃油偏置保持時間不能過長，其最大值必須限制到小于系統響應延遲時間，否則將引起閉環(huán)控制紊亂，因此限制的燃油偏置最大保持時間為

Tmax=Tsec×Phold

(12)

式中Phold為小于1的可標定量。

設定最大允許的燃油偏置幅度為閉環(huán)調節(jié)因子目標振幅的一定比例Pmax，其對應偏置最大保持時間Tmax，因而小于最大偏置幅度的保持時間為

(13)

4 閉環(huán)燃油振幅與偏置MBC的整定

空燃比跳躍偏置保持算法的應用會直接改變閉環(huán)調節(jié)因子的振幅，因此需要對閉環(huán)調節(jié)因子目標振幅Aptp和前饋偏置控制量Abase結合排放情況進行聯合整定，以確定最佳組合。本文中利用仿真軟件Matlab/Simulink中的Model-BasedCalibration(MBC)工具箱進行試驗點的優(yōu)化設計，可大幅減少標定工作量，縮短開發(fā)周期。MBC中非怠速工況閉環(huán)燃油模式的邊界條件設置如式(14)所示，優(yōu)化后產生的試驗點如圖9所示，也可根據實際情況對試驗點進行合理增減。

(14)

圖9 MBC優(yōu)化設計試驗點

5 試驗研究

5.1 試驗設施

試驗對象為在三元催化器前后端各裝備1個LSF4階躍信號加熱型氧傳感器的某自主品牌轎車，通過轉鼓維持發(fā)動機處于特定工況點和I型排放試驗循環(huán)工況；使用氧傳感器老化模擬電路盒Aged HEGO Simulator-model 606獲取適當的前氧傳感器老化信號，結合I型排放試驗結果，檢驗氧傳感器響應延遲自適應算法對排放污染物的控制能力；使用HORIBA排放分析設備采集分析排放污染物，以獲取排放秒采和袋采結果；使用LA4空燃比采集器實時測量排氣系統催化前的廢氣濃度；使用ATI hub在工作電腦與電控單元之間進行高速CAN通信，并用ATI Vision標定軟件作數據采集與處理。試驗設施如圖10所示。

5.2 氧傳感器響應延遲自適應控制算法的驗證

為驗證氧傳感器響應延遲自適應算法對于閉環(huán)燃油控制過程的影響，使用老化模擬電路盒對前氧傳感器信號進行250ms的從濃到稀單向跳變延遲處理，并在關閉和打開氧傳感器響應延遲自適應算法功能兩種情況下分別進行國五I型排放循環(huán)試驗(使用160 000km老化態(tài)催化器)。在EUDC五擋70km/h車速階段分別截取閉環(huán)控制波形，如圖11和圖12所示，此時發(fā)動機基本維持在轉速1 800r/min和負荷30%的穩(wěn)定工況。

圖11 關閉氧傳感器響應延遲自適應控制波形

圖12 開啟傳感器響應延遲自適應控制波形

由圖11和圖12 可見，關閉自適應功能時，閉環(huán)調節(jié)因子在緩變過程的緩變率并未因為前氧傳感器信號產生了250ms的額外響應延遲而產生變化，導致閉環(huán)燃油控制使實際空燃比大幅度往稀方向偏離，在9s時間內的統計平均值為1.018，最終致使NOx排放結果大幅度惡化，如表1所示；開啟自適應功能后，系統能識別到前氧傳感器產生的額外響應延遲，從而調節(jié)閉環(huán)調節(jié)因子緩變過程的緩變率進行適應性調整，β的跳變過程比圖10更為均勻準確，10s內的實際空燃比統計平均值為1.006，NOx排放結果也基本上未產生明顯的惡化情況，如表2所示。

表1 無氧傳感器響應延遲

需要特別說明的是，自適應算法計算出的T1值190ms與設定的250ms延遲時間略有差異，這是因為自適應算法的控制目標是將閉環(huán)調節(jié)因子的振幅值隨著前氧傳感器的老化而維持基本不變，但這并不能保證與初始狀態(tài)下的閉環(huán)燃油控制效果完全一致。更為精確的控制方式是將閉環(huán)調節(jié)因子積分面積保持不變，但在實際應用過程中不具備可操作性。

表2 有氧傳感器響應延遲自適應功能排放結果

從表2的排放控制結果看，通過控制β振幅保持不變的自適應控制方法已經體現出相當程度的排放改善能力，有益于延長前氧傳感器使用壽命。

5.3 空燃比跳躍偏置保持控制算法的驗證

對象車輛裝備響應狀態(tài)良好的前氧傳感器和3 000km完全激活的新鮮態(tài)催化器，在關閉和打開空燃比跳躍偏置保持算法功能的兩種情況下分別進行國五I型排放循環(huán)試驗。在EUDC五擋70km/h車速階段，發(fā)動機基本維持在轉速1 800r/min和負荷30%的穩(wěn)定工況，分別截取閉環(huán)燃油相關控制波形，如圖13和圖14所示。

圖13 無跳躍偏置保持算法介入控制波形

由圖13和圖14可見，空燃比跳躍偏置保持算法功能關閉時，閉環(huán)燃油控制致使實際空燃比呈現偏稀狀態(tài)，10s內的統計平均值為1.005；打開跳躍偏置保持算法功能后，使閉環(huán)燃油控制燃油噴射往偏濃的方向進行補償噴射，10s內的實際空燃比統計平均值為0.994。雖然兩種控制方式在實際空燃比統計平均值上只相差0.011，但是體現在整車排放性能上卻有相當大程度的差異，如表3所示。

圖14 有跳躍偏置保持算法介入控制波形

序號跳躍偏置保持算法是否介入CO/(g·km-1)NMHC/(g·km-1)NOx/(g·km-1)1否0.330.0250.0312否0.290.0220.0383否0.310.0220.0374是0.410.0280.0245是0.450.0290.0236是0.370.0260.026I型試驗排放限值1.000.0680.060

在未使用跳躍偏置保持算法對閉環(huán)燃油空燃比進行控制時，CO排放值大致處于試驗車輛對應的國五I型排放限值30%，NMHC排放值在限值的23%左右，而NOx的排放值則在排放限值的62%左右，這是因為空燃比被控制在偏稀狀態(tài)，催化器對于CO和NMHC的處理效率明顯好于NOx；在跳躍偏置保持算法介入以后，CO，NMHC和NOx排放值分別處于排放限值的40%，30%和40%左右，雖然系統將空燃比往更濃的方向控制，致使CO和NMHC排放量增加，但是相比于未使用跳躍偏置保持算法時整車污染物排放性能提高了約20%。如果未來國六法規(guī)在不改變現有的循環(huán)工況條件下在國五排放限值基礎上加嚴50%，其中20%就可以通過新算法的應用加以應對，因此跳躍偏置保持算法的提出對于應對未來法規(guī)具有積極意義。

6 結論

(1)構建氧傳感器響應延遲自適應控制算法，以減輕甚至消除前氧傳感器老化后對于閉環(huán)燃油控制過程的不利影響，延長氧傳感器使用壽命。

(2)構建空燃比跳躍偏置保持控制算法，通過前氧傳感器和后氧傳感器信號聯合控制偏置量，并對偏置量保持時間進行了設計，以解決傳統閉環(huán)燃油控制對于NOx轉化能力較差的問題。

(3)通過國五I型排放試驗對提出的控制算法進行實車驗證，氧傳感器響應延遲自適應算法能夠顯著改善前氧傳感器老化導致的整車排放性能惡化問題，空燃比跳躍偏置保持算法則能使主要排放污染物的綜合轉化率提高20%以上。

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Optimization of Closed-loop Fuel Control of Gasoline Vehicle for Emission Target

Wang Yong1,2, Sun Dongye1& Qi Zhenggang3

1.ChongqingUniversity,StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,Chongqing400044；2.DepartmentofAutomotiveEngineering,ChongqingCollegeofElectronicEngineering,Chongqing401331;3.ChongqingChang’anVisteonEngineControlSystemCompany,Chongqing401122

In view of the issues of traditional closed-loop fuel control scheme for gasoline engine, i.e. the emission performance deterioration caused by response delay due to oxygen sensor aging and the low overall conversion rate of exhaust pollutants due to too lean a real air-fuel ratio, an adaptive control algorithm for the response delay of oxygen sensor is introduced for mitigating or even eliminating the adverse effects of aged upstream oxygen sensor on closed-loop fuel control and extending the service life of oxygen sensor on one hand, and an air-fuel ratio control algorithm is also introduced and combined with associated control on bias by the signals of both upstream and downstream oxygen sensors to adjust the real air-fuel ratio to stoichiometric value or even a little richer for effectively enhance the overall conversion rate of exhaust pollutants on the other hand. The results of real vehicle verification test show that the adaptive control algorithm for the response delay of oxygen sensor can effectively mitigate the deterioration of emission performance caused by the aging of upstream oxygen sensor while the air-fuel ratio control algorithm can enhance the overall pollutant conversion rate by over 20%.

closed-loop fuel control; oxygen sensor; adaptive control; emission performance; air-fuel ratio

*國家自然科學基金(51375505)資助。

原稿收到日期為2016年7月4日，修改稿收到日期為2016年8月8日。